毕业设计(论文)-塑料光纤通信系统的研制与开发.doc
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1、塑料光纤通信系统的研制与开发摘 要 本论文阐述了一种塑料光纤(POF)通信系统的研制与开发方案,并对这个方案的相关问题进行了一定的研究、探讨和实验制作。早在1960年,美国人梅曼发明了第一台红宝石激光器,给光通信带来了新的希望,人类就开始了将光通信不断的推向一个又一个崭新的阶段。可以粗略地分为以下几个历史阶段:(19661976年)光纤通信从基础研究到商业应用的开发时期可以无中继传输约10km的距离;(19761986年)又到了以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期光纤由多模发展到了单模,工作波长范围也有了很大的拓展;(19861996年)到了以超大容量超长距离为目标
2、、全面深入开展新技术研究时期可以无中继传输约100150km的距离。随着全球信息产业的不断发展壮大,光纤通信已经成为当今信息社会不可缺少的神经系统。近几年在塑料光纤领域不断产生新的突破新的成果,使通信带宽和速度不断升级。与此同时,塑料光纤也越来越受到更多人的瞩目,特别是拥有巨大带宽资源的用于光信号传输梯度折射率塑料光纤。并且,随着人们的不断研究,塑料光纤独有的传输带宽大、重量轻、柔韧性好、易于维修等优点必将发展得更加完善,成为传输媒质的主流。本文阐述的通信系统正是基于对于塑料光纤的应用而设计的。本文阐述了塑料光纤通信在现在和今后的信息社会发展中的重要性,讲述了塑料光纤的基本理论知识,较为全面的
3、分章节阐述了本人设计的塑料光纤通信系统的各个部分组成和功能,并在已经制作出成品和调试成功的基础上,提出了一些自己看法和展望。关键词:塑料光纤通信系统,塑料光纤,通信系统I塑料光纤通信系统的研制与开发AbstractIn this paper one researching and designing program of plastic optical fiber (POF) communication system is proposed. And the theory and some problems with this program are also studied and expo
4、unded.In the year of 1960, an American, Maiman invented the first LD of red jewel, which bring forward the new hope. Since then the human being were always beginning to develop the optical communication to new stages. It is divided into these stages: (19661976) the stage of optical fiber developing
5、from the foundational researching to commercial applicationsthe transmission distance without relay is 10km;(19761986) the stage of taking increasing transmission rate and prolonging the transmission distance as the aim and widely applyingoptical fiber developed from single mode to multi-mode ,its r
6、ange of working wavelength also was be expanded; (19861996)the stage of aiming at achieving very large capacity and very long distance ,with completely developing new techniquethe transmission distance without relay is 100-150km.With the increasingly expanding in IT, optical fiber has been necessary
7、 nerve system throughout the current society. These years, continuous new achievement has come out in plastic optical fiber, which was promoting communication bandwidth and rate. Meantime, plastic optical fiber received much attention due to it, especially optical transmission using graded index POF
8、. Also, with the continuous researching, the virtues of plastic optical fiber, such as large transmission bandwidth, light weight, flexibility and easy maintenance, will develop toward perfect, which make plastic optical fiber become the main transmission media.The communication system the paper set
9、 forth is designed on the base of the application of plastic optical fiber. The paper elaborates the importance of plastic optical fiber during nowadays and future in information society development, narrates the basic theory principle about plastic optical fiber, recounts the structure and perform
10、of my designing plastic optical fiber communication system through chapters and sections, and propose my own opinion and prospects on the base of the finished product and successful experiment.Key words: plastic optical fiber communication system, POF, communication system- III -目 录第一章 前 言11.1 通信网络的
11、发展和对塑料光纤的应用需求11.2 塑料光纤通信系统应用前景与选题意义3第二章 光纤通信基本理论阐述42.1 光纤通信基本原理42.2 有关光纤的基本理论42.3 光纤通信系统的组成72.4 光器件8第三章 塑料光纤103.1 塑料光纤的应用范围103.2 塑料光纤的技术性能123.3 用于塑料光纤通信系统的光源和光检测器133.4 塑料光纤的展望14第四章 塑料光纤通信系统的设计方案154.1 塑料光纤通信系统方案设计154.2 数字光纤发射机设计154.3 数字光纤接收机设计154.4 塑料光纤通信系统部件选择16第五章 数字光纤通信码型选择195.1 在数字光纤通信中传输码型的要求195
12、.2 CMI编码205.3 mBnB码22第六章 塑料光纤通信系统发射机的设计236.1 塑料光纤通信系统发射机的组成236.2 塑料光纤通信系统的时钟236.3 M序列产生器246.3 CMI编码器设计266.4 光纤发射模块296.5 光纤发射模块及其驱动电路设计30第七章 塑料光纤通信系统接收机的设计327.1 塑料光纤通信系统接收机的组成327.2 光纤接收模块及其驱动电路设计327.3 放大电路337.4 CMI解码电路35第八章 塑料光纤通信系统实验398.1 塑料光纤通信系统PCB板的基本参数398.3 塑料光纤通信系统的基本功用和展望41第九章 结论和展望42参考文献43致 谢
13、44塑料光纤通信系统的研制与开发第一章 前 言1.1 通信网络的发展和对塑料光纤的应用需求随着互连网技术的快速发展,通信概念发生了极大的改变,把通信定义为信息或信号的时空转移更为准确。现代通信正朝着数字化、宽带化、综合化、智能化、个人化、开放化和标准化的方向发展。电信业务正逐渐从传统的普通的电话、传真等窄带业务向集语音、高速数据和可变视频为一体的多媒体宽带业务方向发展。网上的数据信息业务量己逐步超过传统的电话通信业务。与此同时,随着经济的高速发展,人们对数据传输、家居银行、视频会议、远程教育和电视点播等各类宽带应用的消费需求也迅速增长。美国贝尔通信研究所最近对小企事业用户和居民用户的调查中发现
14、,近期的主要宽带业务需求有下面5类:(l)点播电视(VOD);(2)交互式图像游戏,这类业务允许用户通过网络玩电子游戏,电子图像游戏库有大量的丰富多彩的节目可供选用;(3)交互式图像业务,这类业务允许用户控制所看的节目,例如用户可以控制摄像机的角度,参加游戏节目,获取新闻或体育节目的额外信息等;(4)广泛的远程教育,这类服务可以使用户非常方便地享受自主的知识积累,选择感兴趣的内容进行学习;(5)海量多媒体库,这类业务允许用户进行交互式搜索,并能看、读、听多媒体信息,即有视听读能力。这些应用,尤其是多媒体的应用对网络的实时性和带宽提出很高的要求。为了实现这种信息量巨大的多媒体信息社会,不但要加快
15、建设高速大容量公共通信网,还要加快建设相应的宽带城域网、局域网,乃至接入网的步伐。近几年来,公共通信网和局域网技术都在突飞猛进地发展,很多单位内部建立了备种各样的局域网,实现计算机互连。最近有人提出了家庭网络的概念,即在家庭内部使各种设备实现联网,构成一个小型的家庭局域网。因此,信息时代的到来要求从网络主干线到各个小型办公室或者家庭内都能实现GHz数量级的高速通信。面对这种急剧增加的通信业务量和通信种类,面对要求日益提高的信息传输率,能提供大容量、高速率的通信传输媒质将以其无以比拟的优点大大发挥作用。光纤发展至今已有几十年,其技术已日趋成熟稳定,过去因价格的关系迟迟无法进入大量铺设。近年来由于
16、光纤制造技术的提升及产量的增加,使得价格下降,光纤被大量地应用在骨干网络上。Internet技术的迅速发展使得数据通信量大概是每6个月翻一番,数据包的交换正在逐步取代传统的电路交换,这些均使得光通信技术的发展成为必然。自从70年代末,光纤通信初次在通信网现场实验成功后,公用通信网包括市内和长途的骨干网越来越多地推广使用光纤光缆线路。进入80年代,光纤通信更显得兴旺发达,在所有通信技术中越来越引人注目。此后,全世界范围内掀起了光纤通信研究和应用的热潮,并逐步在实践中发现了它和传统的金属传输线相比体现出的独特的优点。光纤技术发展到现在,主要有两大类光纤:石英系光纤和塑料光纤(plastic opt
17、ical fiber,POF)。长距离通信主要应用石英系光纤但是,由于成本高、脆性大以及纤芯细小难以对接,光耦合困难等缺点,在短距离如家庭内、交通工具内、办公大楼及办公室内的通信和多媒体传输中石英光纤的运用目前却还很少。近年来,塑料光纤在短距离通信方面则展现出其独特的优势。塑料光纤是在20世纪60年代由美国杜邦公司(Dupont)开始研究的,当时仅仅是作为照明的材料。1968年用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)芯制备的塑料光纤,由于受到制作工艺和条件的限制,光损耗较大。1974年日本三菱人造丝公司以 PMMA和聚苯乙烯为芯材、以低折射率的氟塑料为包层开发出塑料光纤,其光损耗为3,500 dB/km
18、,难以用于通信。因此,POF早期的研究重点之一就是降低损耗。1980年,日本NTT公司公布了POF的基础研究结果,表明大幅度降低损耗是可能的,从此研制低损耗POF工作日趋活跃。到了1990年,日本庆应大学的小池助教授开发成功折射率渐变型(GIPOF)的塑料光纤,芯材为含氟 PMMA、用界面凝脂技术制造。该塑料光纤衰减在60 dB/km以下,光源 650-1300nm,100 m带宽 3 GHz,传输速率 10 GB/s,超过了 GI型石英光纤,并被广泛认为是高速多媒体时代光纤入户的新型光通信媒介。1996年,人们纷纷建议以塑料光纤为基础建立极低成本的用户网ATM物理层;1997年,日本NEC公
19、司进行了155 Mbit/s的 ATM、 LAN的试验。在 2000年 OFC会议上,日本 Asahi Glass公司报道了氟化梯度塑料光纤衰减系数在 850nm为41dBkm,在 1300 nm为 33 dB/m,带宽己达100 MHzkm。用这种光纤成功地进行了50 m、25 Gb/s比的高速传输试验和70长期热老化试验。实验结论为氟化梯度塑料光纤完全能满足短距离的通信使用要求。随着塑料光纤技术的日趋成熟,塑料光纤在短距离高速通信领域显出比传统的石英光纤更大的优势,与用作距离远、速度高、容量大的公用网传输媒质的石英玻璃光纤相比,POF由于制造简单、价格便宜、接续快捷等优点,非常适合用在局域
20、网中的短距离通信、有线电视网及室内计算机之间互联,从而成为短距离高宽带通信网的最理想选择。适合应用塑料光纤的具体场合包括:办公设备互联,家庭智能电子产品和家庭网络,制造业,车载机通信网络和控制系统,军事通讯以及装饰照明等。近些年,世界各国正在大踏步的迈进知识经济时代,我国正处于社会主义初级阶段,改革开放以来,经济一直飞速发展,信息产业在国民经济中的比重正在日益增大。网络与人们的距离越来越近,在生产、生活中发挥的作用也越来越大。因此随着塑料光纤在性能、制造工艺以及标准方面的快速发展,塑料光纤的应用领域越来越广,市场潜力也将更大。1.2 塑料光纤通信系统应用前景与选题意义塑料光纤(POF)在高速短
21、距离通信网络中具有显著的竞争力,它在1001000范围内带宽可达数GHz,而成本与对称电缆相当。塑料光纤的数值孔径大(0.30.5mm),连接时不必苛求精确对准,且其芯径大(0.51mm),连接时易于对准,可以使用廉价的注塑连接器,因而塑料光纤的连接简便且成本较低。另外,塑料光纤的重量轻,抗干扰性好,易于在狭窄的空间内铺设,因此,塑料光纤将成为实现光纤到家(FTTH)、光纤到办公室(FTTO)的理想的终端传输媒质,并可直接用于工业控制,成为工控网络的传输媒质。以塑料光纤(POF)为传输媒质的通信系统方面的技术处于不完善的发展阶段,塑料光纤(POF)的巨大潜力等待着我们去挖掘。尤其在国内,由于存
22、在着经济发展的基础影响、已成型网络硬件方面和科研水平等方面的一定局限,我国目前在塑料光纤系统领域还有待于进一步跨越式发展。为了能够在已有理论和实践基础上,利用现有资源、条件,本人在实验室中对塑料光纤短距离通信领域进行了解、研究,并制作了一个基于650nm的塑料光纤通信系统。第二章 光纤通信基本理论阐述2.1 光纤通信基本原理现代通信技术分为电通信和光通信。光通信和电通信一样分无线光通信和有线光通信。无线光通信因环境限制,主要用于深空通信。有线光通信即光纤通信,是以光纤为传输煤质的通信方式。光纤是由玻璃、塑料等材料通过一些特定方法拉制成能传输光的细长纤维。光纤由纤芯和包层组成,呈圆柱形。光纤通信
23、的基本原理:当光入射到光纤的纤芯时,纤芯与包层的界面产生向内反射,使光波受到引导而局限于纤芯内部向前传播。一个基本的光纤通信系统由光发送机、光纤线路、光接收机组成。光发送机基本功能是把电信号转换成光信号,把光信号送入传输光纤,它主要由光源和驱动电路构成,常用光源器件有LED和LD,电流经过发光二极管,发射出一定波长的光子,完成电和光的转换。光接收机主要由光检测器件和均衡放大电路组成。光检测器件常用的有PIN和APD,传输线内光子经过光电二极管时产生电流,从而实现光电还原。2.2有关光纤的基本理论2.2.1 光纤结构光导纤维(fiber)简称光纤,是光纤通信的物理基础。光纤是由中心的纤芯和外围的
24、包层同轴组成的圆柱形细丝。纤芯的折射率比包层稍高,损耗比包层更低,光能量主要在纤芯内传输。纤芯的折射率n1,包层折射率n2,光能量在光纤中传输的必要条件是 。纤芯的作用是传播光信号,包层的作用是为光提供反射面和光隔离,并起一定的机械保护作用。纤芯和包层的相对折射率: (2-1)图2. 1 光纤结构图光纤的重要光学参数:数值孔径NA光纤的数值孔径是表示光纤捕捉光射线能力的物理量,体现光纤接收和传输光的能力。所谓“捕捉光射线”的含义是这样的:由光源射出的光射线,从几何光学的角度来看,并不是所有射向光纤端面的光都能在纤芯中满足全反射条件,只有那些能够在纤芯中满足全反射条件形成导波的光射线,才认为是能
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